JP2017079460A - リフレクトアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図る。
【解決手段】一次放射器１の位置として、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板２に対向して配置され、反射板２の表面に対する一次放射器の鏡像３が電磁波の反射方向４を向き、かつ、電磁波の反射方向４と平行で電磁波の反射方向４から見た反射板２の中央を通る直線上または直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、反射板２の中心方向に電磁波を放射するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、人工衛星搭載アンテナなどに用いられる、一次放射器と反射板とからなるリフレクトアレーアンテナに関するものである。

従来、人工衛星搭載用アンテナとして、ホーンアンテナなどからなる一次放射器と放物曲面状の反射板とを対向させたパラボラアンテナが用いられている。衛星搭載される一般的なパラボラアンテナの反射板は、折り畳まれた状態で宇宙に打ち上げられ、宇宙空間で反射板を展開する。そのため、反射板を展開する構造が複雑であり、動作時の信頼性が低いという問題点がある。
そこで、放物曲面状の反射板に代えて平板状の反射板を用いたリフレクトアレーアンテナが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。リフレクトアレーアンテナは平板状の反射板を用いるため構造が簡単になり、コストの削減及び信頼性の向上を図ることができる。

リフレクトアレーアンテナの反射板は、複数の共振素子で構成されており、一次放射器が放射した球面波面を有する電磁波は、反射板によって位相の補正が行われ、所定の方向に平面波として反射される。このような反射波を実現するために、リフレクトアレーアンテナの反射板は、位置に応じて異なる形状及び大きさの共振素子を有している。補正される位相量は、球面波で入射した電磁波を平面波に変換するための位相補正量と、電磁波の反射方向を所望の方向に向けるための位相補正量の和で表され、設計周波数に対して、その位相補正量を実現するように、共振素子の形状と大きさを決定する。

M. R. Chaharmir, J. Shaker,M. Cuhaci, and A. Ittipiboon, "Broadband reflectarray antenna with double cross loops," Electron. Lett., vol. 42,no. 2, pp. 65-66, Jan. 2006.

しかしながら、上記従来の方法で決められた位相補正量は、設計周波数に対しては最適であるが、他の周波数に対しては最適ではないため、補正量が過剰、もしくは不足し、反射波の方向が所望の方向からずれ、結果、リフレクトアレーアンテナが狭帯域になる課題がある。
一般的にリフレクトアレーアンテナは、狭帯域であるという課題があり、従来、非特許文献１に示されているように共振素子の形状を工夫することで、広帯域化を図る手法が考案されているものの、光路長の補正に注目して、反射板と一次放射器の位置とを決定する技術は実現されていなかった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、反射板と一次放射器の位置を決定することで広帯域化を図ることのできるリフレクトアレーアンテナを得ることを目的とする。

この発明に係るリフレクトアレーアンテナは、複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板に対向して配置され、反射板の表面に対する鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、電磁波の反射方向と平行で電磁波の反射方向から見た反射板の中央を通る直線上または直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、反射板の中心方向に電磁波を放射する一次放射器とを備えたものである。

この発明のリフレクトアレーアンテナは、一次放射器の位置として、反射板の表面に対する一次放射器の鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、電磁波の反射方向と平行で電磁波の反射方向から見た反射板の中央を通る直線上または直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、反射板の中心方向に電磁波を放射するようにしたので、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。

この発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナを示す説明図である。 一次放射器の反射の鏡像を示す説明図である。 反射板で補正する収差を示す説明図である。 ２種類の収差を示す説明図である。 図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃは、設計周波数よりも低い周波数における波面を示す説明図である。 図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃは、設計周波数よりも高い周波数における波面を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナの一次放射器と反射板の位置関係を決めるパラメータの他の例を示す説明図である。 一般的な共振素子（矩形状素子）の反射位相を示す説明図である。 反射位相の基準を反射板の開口中心に取った場合の波面と収差とを示す説明図である。 図９の構成における開口中心からの距離と共振素子の所望の反射位相との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナの反射位相の基準を反射板の開口中心とは異なる位置に取った場合の波面と収差とを示す説明図である。 図１１の構成における開口中心からの距離と共振素子の所望の反射位相との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナの設計周波数に対する利得低下量を従来と比較して示す説明図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナを示す説明図である。
図１に示すリフレクトアレーアンテナは、一次放射器１と反射板２からなり、反射板２は、複数個の共振素子を有する平板状の反射板である。一次放射器１は、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板２に対向して配置され、反射板２の表面に対する一次放射器の鏡像３が電磁波の反射方向４を向き、かつ、電磁波の反射方向４と平行で電磁波の反射方向４から見た反射板２の中央を通る直線上に位置するように配置され、また、反射板２の中心方向に電磁波を放射するよう形成されている。なお、波面５は、後述する１次の収差に関する波面を表している。以下、一次放射器１と反射板２との位置関係について説明する。

先ず、位相補正を行わない場合について説明する。図２はその説明図である。
図２に示すような位相補正を行わない反射板２を考えた場合、一次放射器１から放射された電磁波６は、反射板２で反射され、反射波７として空間を伝搬する。このときの反射波７は、反射板面に対する一次放射器の鏡像３から放射された電磁波と等価であるとみなすことができる。一次放射器の鏡像３から放射された電磁波の波面は、図３に示すような波面８となる。この波面８を所望の波面９とするためには、図４に示す収差１０を補正する必要がある。収差１０は、波面が所望の波面９に対して傾いていることで生じる１次の収差１１と、一次放射器１から放射される電磁波が球面波であることによって生じる２次の収差１２の二つに分けて考えることができる。その収差は以下の式（１）に基づいて補正される。

ここで、φ_０は位相補正量を表し、Δ_１で表される１次の収差１１を補正する項と、Δ_２で表される２次の収差１２を補正する項の和で表される。λ_０は設計周波数ｆ_０における波長を表す。その位相補正量φ_０を与えられるような反射板２を設計することとなる。
一方、位相補正量φ_０で設計された反射板２で、設計周波数と異なるある周波数ｆ_１の電磁波が反射される場合を考える。位相補正量φ_０で補正されたときの収差の補正量Δ′を考えると、その値は以下の式（２）にて表される。

ここで、λは周波数ｆ_１における波長を表し、φ_０１は式（１）の右辺の第１項で表される１次の収差に対する位相補正量を、φ_０２は式（１）の右辺の第２項で表される２次の収差に対する位相補正量を表す。式（２）の右辺のφ_０１，φ_０２に関する項は、それぞれの収差に対する収差の補正量を示す。この式から、補正される収差はλに比例することがわかる。すなわち、位相補正量φ_０で補正される場合、λ＝λ_０の電磁波にとっては最適な位相補正量であるが、λ＞λ_０の電磁波にとっては過剰に補正することとなり、λ＜λ_０の電磁波にとっては補正量が不足することとなる。

例として、図５に、位相補正量φ_０で設計された反射板を用いたとき、λ＞λ_０の波長を持つ電磁波の位相補正後の波面を示す。図５Ａは１次の収差に対して収差の補正を行った際の説明図である。１次の収差によって生じた波面１３は、式（２）で表される収差の補正量１４によって、λ＞λ_０の電磁波に対しては、過剰に補正されるため、波面１５のような波面となり、所望の波面１６から波面が傾くこととなる。これは、電磁波の反射方向が所望の方向から傾くことを意味する。図５Ｂは２次の収差に対して収差の補正を行った際の模式図である。２次の収差によって生じた波面１７は、１次の収差と同様に式（２）で表される収差の補正量１８により、λ＞λ_０の電磁波にとっては過剰に補正されるため、波面１９のような曲率を持った波面となり所望の波面２０が得られなくなる。以上２種類の収差を合成して、λ＞λ_０の電磁波における反射波は、図５Ｃの波面２２で示されるように、所望の波面２１から傾き、曲率を持った波面となる。

また、λ＜λ_０の電磁波の補正後の波面を図６に示す。図６Ａは１次の収差に対して収差の補正を行った際の模式図である。１次の収差によって生じた波面１３は、式（２）で求めたΔ′で表される収差の補正量１４で補正されるが、λ＜λ_０の電磁波に対しては補正量が不足するため、波面１５のような波面となり、所望の波面１６から傾くこととなる。図６Ｂは２次の収差に対して収差の補正を行った際の波面を模式的に示す説明図である。２次の収差によって生じた波面１７は、収差の補正量１８によって補正されるが、λ＜λ_０の電磁波にとっては補正量が不足し、波面１９のような曲率を持った波面となり、所望の波面２０が得られなくなる。以上２種類の収差を合成して、λ＜λ_０の電磁波における反射波は、図６Ｃの波面２２で示されるように、所望の波面２１から傾き、曲率を持った波面となる。

このように周波数によって、反射方向が異なることと平面波でなくなることに起因して、リフレクトアレーアンテナが狭帯域になるという課題がある。そこで、一次放射器１と反射板２の配置を図１に示すような配置とすることで、上記２種類の収差のうち、１次の収差を０にすることができる。すなわち、一次放射器１の位置は、一次放射器の鏡像３が電磁波の反射方向４を向き、電磁波の反射方向４から見た反射板の中央を通る電磁波の反射方向４の直線上に位置するように決定する。これにより、波面５は、図５及び図６における所望の波面１６と同等となり、１次の収差に対する補正量Δ_１を０とすることができるため、電磁波の放射方向が周波数にかかわらずに正面方向を向くことになり、広帯域な特性を得ることができる。

なお、一次放射器１の位置は、一次放射器の鏡像３が電磁波の反射方向４の直線上に位置するようにしたが、反射板２の中央を通る直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置されていれば実用上リフレクトアレーアンテナとして広帯域な特性を得ることができる。

また、一次放射器１と反射板２との位置関係を以下のように決定してもよい。
図７のように、電磁波の反射方向から見た際の反射板２の表面の中心を原点２３とし、電磁波の反射方向をｚ軸の正の方向、原点からｚ＞０を満たすｚ軸上の任意の点から反射板表面に下した垂線とｚ＝０を満たす平面の交わる点に引いた線をｘ軸の正の方向とする。一次放射器１の位相中心の座標を（ｚ_ｆ，ｘ_ｆ）、原点から一次放射器１までの距離をｒ、ｘ軸からの反射板面の傾きをθ、設計周波数の波長をλ_０とし、０≦α＜２πを満たす任意の数をαとするとき、以下の式（３）を満たすような配置で、一次放射器の位置を決定する。一次放射器の位置は、図７の中で点２４に示す（ｒｃｏｓ２θ，−ｒｓｉｎ２θ）が理想的であるが、原点と点２４を結ぶ直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置されていれば実用上リフレクトアレーアンテナとして広帯域な特性を得ることができる。

このような構成とすることで、１次の収差に対する補正量Δ_１を０とすることができるため、電磁波の放射方向が周波数にかかわらずに正面方向を向くことになり、広帯域な特性を得ることができる。なお、ｘ軸からの反射板面の傾きθは、０゜＜θ＜９０゜の範囲であるとする。

一方、２次の収差に関しては、完全に０にすることはできないが、各共振素子の反射位相を以下のように決定することで減少させることができる。
図８に一般的な共振素子の反射位相を示す。図８から明らかなように、共振素子の反射位相は、周波数が高くなるにつれて遅れる傾向にある。
一方、各共振素子の所望の反射位相の周波数特性は、設計周波数における反射位相の決定方法によって、周波数が高くなるに応じて進む場合と遅れる場合とがある。図９のように反射位相の基準２５を開口中心に取った場合を考える。位相補正がないと仮定した反射板２で反射された電磁波の波面２６を所望の波面２７とするためには、開口中心以外のすべての素子は位相を進ませるように補正しなければならない。このときの各共振素子の所望の反射位相の大きさは式（１）右辺の第２項で表される。開口中心からある距離の位置にある共振素子の所望の反射位相を図１０に示す。ここで、Δｆは設計周波数ｆ_０を基準とした周波数の差分を示し、正の値である。周波数が高くなるにつれて、所望の反射位相はより進める方向に補正しなければならないことがわかる。すなわち、上述のとおり共振素子の反射位相は周波数の増加とともに遅れていくことを考慮すると、周波数が高くなるにつれて、所望の反射位相と共振素子から実際に反射される電磁波の位相とのかい離が大きくなることがわかる。

次に、図１１のように反射位相の基準２５を開口中心とは異なる位置に取った場合を考える。波面２６を所望の波面２７とするためには、各共振素子の反射位相を決める際に基準とする共振素子よりも開口中心に近い共振素子の所望の反射位相は、遅れさせるように補正しなければならない。各共振素子の所望の反射位相を図１２に示す。周波数が高くなるにつれて、所望の反射位相はより遅らせる方向に補正しなければならないことがわかる。よって、共振素子から実際に反射される電磁波の位相の周波数特性は、所望の周波数の特性に沿うことになり、設計周波数と異なる周波数における２次の収差の影響を低減することができる。

このように、開口中心から離れた位置に反射位相の基準を取り、各共振素子の反射位相を決定することで、リフレクトアレーアンテナの周波数特性の改善を図ることができる。図１３に設計周波数における指向性利得を基準とした時の利得の低下量の周波数特性を示す。実線が開口中心から離れた位置の共振素子を基準として反射位相を決定した場合の特性を示し、破線が従来のリフレクトアレーアンテナの特性を示す。図示のように、開口中心から離れた位置の共振素子を基準として反射位相を決定することで、リフレクトアレーアンテナの広帯域化が図れることがわかる。

以上説明したように、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナによれば、複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板に対向して配置され、反射板の表面に対する鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、電磁波の反射方向と平行で電磁波の反射方向から見た反射板の中央を通る直線上または直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、反射板の中心方向に電磁波を放射する一次放射器とを備えたので、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。

また、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナによれば、複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、オフセットアンテナを形成する位置関係で反射板に対向して配置された一次放射器とを備え、一次放射器と反射板の配置が、電磁波の反射方向から見た際の反射板の表面の中心を原点として、電磁波の反射方向をｚ軸の正の方向、原点からｚ＞０を満たすｚ軸上の任意の点から反射板の表面に下した垂線とｚ＝０を満たす平面の交わる点に引いた線をｘ軸の正の方向とし、一次放射器の座標を（ｚ_ｆ，ｘ_ｆ）、原点から一次放射器までの距離をｒ、ｘ軸からの反射板の表面の傾きをθ、設計周波数の波長をλ_０とし、０≦α＜２πを満たす任意の数をαとするとき、以下の式

を満たす配置としたので、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。

また、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナによれば、反射板の表面の傾きθが、０゜＜θ＜９０゜を満たすようにしたので、式（３）を満たすことができ、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。

また、実施の形態１のリフレクトアレーアンテナによれば、複数個の共振素子の反射位相を決定する際の基準となる点を反射板の開口中心とは異なる位置としたので、設計周波数と異なる周波数における２次の収差の影響を低減することができ、リフレクトアレーアンテナの広帯域化を図ることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 一次放射器、２ 反射板、３ 一次放射器の鏡像、４ 電磁波の反射方向、５ 波面、２３ 原点、２４ 一次放射器の位相中心、２５ 反射位相の基準、２６ 位相補正がないと仮定した反射板で反射された電磁波の波面、２７ 所望の波面。

Claims (4)

1. 複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、
   オフセットアンテナを形成する位置関係で前記反射板に対向して配置され、前記反射板の表面に対する鏡像が電磁波の反射方向を向き、かつ、当該電磁波の反射方向と平行で前記電磁波の反射方向から見た前記反射板の中央を通る直線上または当該直線からの離隔距離が半波長以内に位置するように配置され、前記反射板の中心方向に電磁波を放射する一次放射器とを備えたリフレクトアレーアンテナ。
2. 複数個の共振素子を有する平板状の反射板と、
   オフセットアンテナを形成する位置関係で前記反射板に対向して配置された一次放射器とを備え、
   前記一次放射器と前記反射板の配置が、電磁波の反射方向から見た際の前記反射板の表面の中心を原点として、前記電磁波の反射方向をｚ軸の正の方向、原点からｚ＞０を満たすｚ軸上の任意の点から前記反射板の表面に下した垂線とｚ＝０を満たす平面の交わる点に引いた線をｘ軸の正の方向とし、前記一次放射器の座標を（ｚ_ｆ，ｘ_ｆ）、原点から前記一次放射器までの距離をｒ、ｘ軸からの前記反射板の表面の傾きをθ、設計周波数の波長をλ_０とし、０≦α＜２πを満たす任意の数をαとするとき、以下の式
   

   

   を満たす配置であることを特徴とするリフレクトアレーアンテナ。
3. 前記反射板の表面の傾きθが、０゜＜θ＜９０゜を満たすことを特徴とする請求項２記載のリフレクトアレーアンテナ。
4. 前記複数個の共振素子の反射位相を決定する際の基準となる点を前記反射板の開口中心とは異なる位置としたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のリフレクトアレーアンテナ。

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